FURTHERMOORE La storia intrecciata della DARPA e della Legge di Moore

Di William Chappell

Nel 1965, il leggendario pioniere della tecnologia Gordon Moore ci ha messo in un’odissea di 50 anni così consequenziale che è difendibile pensare ai nostri tempi come “l’era della microelettronica”. In un breve articolo pubblicato quell’anno nella rivista Electronics intitolato “Cramming more component” sui circuiti integrati, “Moore ha predetto una traiettoria di progresso in cui il conteggio dei transistor dei circuiti integrati raddoppierà all’incirca ogni due anni mentre il costo per transistor diminuirà”. Quando il giornale di tre pagine fu pubblicato per la prima volta in questa rivista di settore di nicchia, i primi lettori non avrebbero potuto immaginare l’impatto che avrebbe avuto sull’industria elettronica. Tuttavia, da questi umili inizi è emersa la linea di progresso che oggi conosciamo come la Legge di Moore.

Moore probabilmente non predisse che avrebbe stabilito un corso per l’investimento di centinaia di milioni di dollari di ricerca federali, e ancora di più dall’industria. Lui, insieme a molti leader del settore, del governo e dell’industria, ha predetto che questa linea di progresso sarebbe svanita. Tuttavia, attraverso l’ingegno, i finanziamenti e le collaborazioni, la profezia continua ad essere soddisfatta.

La DARPA, come molti altri istituti di ricerca, si è rivolta alla Legge di Moore come mezzo per tracciare un percorso continuo in avanti nell’innovazione dell’elettronica. Per decenni, l’agenzia ha investito molto nel progresso dell’elettronica, producendo molte tecnologie che cambiano il settore, mentre adempiva la profezia di Moore.

Sin dal suo inizio, DARPA ha spesso fatto affidamento su un modello di ricerca aperto che prevede l’abbinamento con partner non sensibili. Piuttosto che affidarsi alla segretezza, che spesso è richiesta nella ricerca militare, gli investimenti che l’agenzia ha fatto nei fondamentali dei semiconduttori, come risultato di questo modello inclusivo e collaborativo, hanno permesso al Paese di prendere l’iniziativa pioniere di questa tecnologia. Abbiamo aiutato a costruire comunità che permettano di sviluppare rigorosamente idee, e poi perfezionate e prodotte dall’industria, generando progressi che hanno portato guadagni sia economici sia di difesa. La corretta navigazione della Legge di Moore è stata un fattore determinante per la nostra posizione di leadership globale.

Uno dei primi investimenti della DARPA nel progresso della tecnologia dei circuiti integrati è stato uno sforzo ambizioso chiamato programma VLSI (Very Large Scale Integrated Circuits). Durante gli anni ’70 e ’80, VLSI ha riunito intere comunità di ricerca per creare progressi significativi nell’architettura e nella progettazione di sistemi, nella fabbricazione di microelettronica e nel ciclo generale di fabbricazione, collaudo e valutazione del design. Questi impegni in materia di ricerca e sviluppo hanno contribuito a superare le prime barriere alle tendenze in scala dei transistor che Moore ha articolato.

I progressi compiuti nell’ambito di VLSI hanno contribuito a spingere il campo dell’informatica, a promuovere le capacità militari degli Stati Uniti e a migliorare la sicurezza nazionale, contribuendo nel contempo a inaugurare una nuova era di applicazioni commerciali (1).

Tra le tecnologie risultanti dal programma VLSI ci sono i processori RISC (Reduced Instruction Set Computing), che hanno fornito la potenza computazionale che comprende tutto, dai supercomputer e Mars Pathfinder della NASA ai telefoni cellulari e ai dispositivi mobili odierni (2). A causa dello sviluppo dei processori RISC, le prestazioni dell’hardware grafico sono cresciute del 55% all’anno, ottenendo essenzialmente un raddoppio delle prestazioni ogni 18 mesi (3).

Sebbene l’osservazione di Moore descrivesse solo la relazione inversa tra un numero crescente di transistor e il costo, i miglioramenti delle prestazioni divennero rapidamente sinonimi di ridimensionamento dei transistor e un motivatore principale per il continuo ridimensionamento.

Il programma VLSI ha sottolineato la necessità di una continua collaborazione in tutta la comunità americana degli Stati Uniti e del ruolo che DARPA potrebbe svolgere aprendo le porte a ulteriori innovazioni. Per favorire la ricerca di nuovi progetti di chip, nel gennaio 1981 DARPA ha istituito il servizio di implementazione del silicio a ossido di metallo (MOSIS). MOSIS ha fornito una capacità rapida e di basso costo per fabbricare lotti limitati di dispositivi microelettronici personalizzati e semi-personalizzati. Il servizio ha aperto opportunità a ricercatori che altrimenti non avrebbero avuto accesso diretto alle strutture di fabbricazione di microelettronica. Nel corso dei suoi oltre 35 anni di attività, MOSIS ha promosso un ritmo costante di innovazione nella progettazione e produzione di microelettronica.

Mentre gli Stati Uniti hanno accelerato il ritmo dell’innovazione della microelettronica negli anni ’70 e nei primi anni ’80, il Giappone ha assunto un ruolo guida nella produzione e produzione di semiconduttori avanzati verso la fine degli anni ’80. Per riconquistare il dominio, il consorzio Semiconductor Manufacturing Technology (SEMATECH) è stato fondato con il sostegno e il finanziamento di DARPA e del settore dei semiconduttori negli Stati Uniti. Nel corso dei decenni successivi, il consorzio ha promosso un maggiore coinvolgimento della comunità tra produttori e fornitori e ha notevolmente migliorato la ricerca e lo sviluppo di strumenti e attrezzature di produzione di nuova generazione. Nel 1992, gli Stati Uniti erano responsabili dell’82% dei raccolti di produzione di semiconduttori, in parte attribuibili a questo sforzo intercomunitario (4).

Dalle umili origini in una rivista del 1965, pochi avrebbero immaginato che la previsione di Gordon Moore – che il conteggio dei transistor dei circuiti integrati sarebbe raddoppiato all’incirca ogni due anni mentre il costo per transistor diminuisse – anzi caratterizzerebbe un viaggio di 50 anni nell’era di microelettronica.

Durante la fine degli anni ’80 e l’inizio degli anni ’90, applicazioni militari e commerciali nuove e in evoluzione, compresi sistemi avanzati di armi, reti e il Global Positioning System (GPS), continuarono a guidare la necessità di una microelettronica potente ea basso costo. Il costante ridimensionamento dei transistor necessario per far sì che ciò accada, ha richiesto che l’innovazione nei materiali dei semiconduttori, negli schemi di integrazione dei dispositivi e in altre aree tecniche continuasse senza sosta.

Durante questo periodo, DARPA ha finanziato un programma che ha inaugurato lo stato dell’arte nella litografia dei semiconduttori. Lavorando con il mondo accademico e industriale, il programma ha portato allo sviluppo di nuovi materiali per lenti e fotoresist in grado di superare barriere tecniche che in precedenza avevano limitato la tecnologia a una litografia a 248 nm (nanometri) e di supportare la tecnologia di nuova generazione prodotta con litografia da 193 nm . Questi progressi nella miniaturizzazione e nella densità dei circuiti hanno avuto un effetto drammatico sull’industria dei semiconduttori. Le nuove funzionalità litografiche divennero rapidamente mainstream e gli operatori del settore la usarono per la microelettronica commerciale e militare avanzata.

Partendo dall’esplorazione di nuovi materiali e schemi di integrazione dei primi anni ’90, DARPA ha lanciato un programma per lo sviluppo di transistor oltre la soglia di 25 nanometri nel 1995. Gli sforzi di ricerca completati nell’ambito del programma hanno portato a FinFET (Fin Field Effect Transistors) basati su un nuovo design a transistor 3-D che sfrutta strutture sporgenti in silicio a forma di pinna, che consentono a più porte di operare su un singolo transistor.

Oggi, i principali produttori di chip continuano a utilizzare la tecnologia FinFET per scalare i transistor fino a 7 nm.

Mentre le previsioni di Moore hanno contribuito a tracciare il percorso per il ridimensionamento dei transistor negli ultimi 50 anni, è stata l’ingegnosità e la dedizione dell’industria, del mondo accademico e delle organizzazioni governative, come la DARPA, a dare vita alla Legge di Moore.

Gli investimenti di DARPA hanno aiutato l’industria e il Dipartimento della Difesa (DOD) a superare le barriere del tradizionale ridimensionamento dei transistor attraverso la scoperta di nuovi materiali che superano i limiti attuali e possono raggiungere i requisiti futuri in termini di prestazioni ed efficienza. Ciò è stato possibile solo promuovendo un ambiente di collaborazione e innovazione intorno a nuovi schemi e architetture di design e aprendo percorsi per la sperimentazione nella produzione e produzione di microelettronica.

È a causa della storia intrecciata del supporto commerciale e della difesa per l’industria dei semiconduttori attraverso programmi come VLSI, MOSIS e SEMATECH, che gli Stati Uniti hanno goduto del netto vantaggio della leadership globale nell’innovazione della microelettronica. Ciò ha portato all’elettronica di consumo che ha beneficiato di componenti del DOD, come il GPS, nonché di sistemi militari che sfruttano la potenza di elaborazione di processori commerciali all’avanguardia insieme a circuiti integrati appositamente costruiti.




Guardare indietro per guardare avanti: l’inflessione di Moore


L’industria dei semiconduttori degli Stati Uniti svolge un ruolo eccezionalmente eccezionale per l’economia degli Stati Uniti, contribuendo in misura sostanziale all’economia rispetto a qualsiasi altro importante settore manifatturiero nazionale (5). Negli ultimi 30 anni, la crescita nel settore dei semiconduttori è aumentata rapidamente, superando il tasso di crescita del PIL degli Stati Uniti di oltre un fattore sei (6).

Tuttavia, non tutte le cose buone possono andare avanti all’infinito. Oggi, la tecnologia dei semiconduttori continua a progredire secondo la legge di Moore, ma quella marcia in avanti mostra segni di rallentamento. Oltre ai limiti tecnologici fondamentali che si applicano quando le dimensioni dei dispositivi continuano a ridursi, stanno emergendo conseguenze non intenzionali associate all’economia di continuare su questa strada. L’aumento della complessità del circuito e i relativi costi di sviluppo hanno impedito a molte organizzazioni commerciali e governative di partecipare alla ricerca e allo sviluppo di prodotti elettronici all’avanguardia.
Oggi, lo sviluppo e la produzione di elettronica negli Stati Uniti si trova ad affrontare un trio di sfide che minacciano la salute futura del settore, così come le nostre capacità militari:

1. Il costo della progettazione di circuiti integrati è alle stelle, il che limita l’innovazione. Solo grandi entità globali multinazionali supportate da una massiccia domanda commerciale possono innovare e competere nel panorama dell’elettronica di oggi. Ciò limita fortemente la complessità dei circuiti che possono essere prodotti dai startup Dash e dai progettisti DOD.
2. Gli investimenti stranieri stanno distorcendo il mercato e guidano un cambiamento al di fuori degli Stati Uniti. Il piano della Cina di investire $ 150 miliardi nello sviluppo delle sue capacità produttive sta attirando l’interesse straniero. Anche nel 2015 la Cina aveva già iniziato a costruire 26 nuove fonderie di semiconduttori da 300mm(7) e aveva lanciato 1.300 startup senza fabbisogno(8). Queste forze economiche globali stanno ponendo un premio all’invenzione dei semiconduttori trasformativi per stare al passo.
3. Il continuo movimento verso la generalizzazione e l’astrazione sta soffocando i potenziali guadagni nell’hardware. Il crescente costo della gestione della complessità di un moderno sistema elettronico – dalla produzione e progettazione di circuiti alla programmazione – ha portato a un aumento degli strati di astrazione. I numerosi passaggi dall’invenzione nella parte inferiore della pila (per esempio in nuovi materiali) alla parte di produzione di denaro più in alto nello stack di calcolo lascia una riluttanza a investire in modo significativo. Insieme ai vantaggi prevedibili del continuo ridimensionamento dei transistor, questo ha creato un ecosistema in cui solo l’hardware elettronico generalizzato può avere successo economico e gran parte del valore si è avvicinata all’applicazione più in alto nello stack del software. Di conseguenza, l’hardware è diventato più vicino a una commodity, riservando molti dei potenziali guadagni in termini di prestazioni dall’hardware specializzato solo per determinate situazioni.

In un momento come questo, è istruttivo tornare alle origini del settore e guardare ai leader del settore per avere indizi su come andare avanti. Anche mentre stava preparando il corso nel 1965, lo stesso Moore aveva previsto la fine del ridimensionamento. Nel suo seminario in cui ha trasmesso la proiezione che conosciamo come Legge di Moore, Moore ha previsto che i limiti economici, oltre alle sfide tecniche e ingegneristiche, potrebbero alla fine diventare un impedimento per il ridimensionamento. Altrettanto importante, nella terza pagina del suo articolo, ha predetto che i progressi in aree che oggi conosciamo come automazione del design, scienza dei materiali, packaging e specializzazione in architettura potrebbero mantenere il percorso aperto per un’elettronica sempre più capace.

Basandosi sulle sue osservazioni 50 anni fa, Moore ha previsto con precisione il punto che stiamo raggiungendo oggi. In onore della presenza costante di Moore in elettronica, noi della DARPA chiamiamo questo punto “Inflessione di Moore”, un punto in cui le priorità che stabiliamo oggi determineranno se lo stato dell’ecosistema dell’elettronica diventa stagnante, rigido e tradizionale, o cresce fino a diventare essere dinamico, flessibile e innovativo.


The Electronics Resurgence Initiative: una risposta all’inflessione di Moore


Con l’approssimarsi della flessione di Moore, il governo degli Stati Uniti ha deciso di intraprendere un’azione su larga scala investendo circa 1,5 miliardi di dollari nei prossimi cinque anni nella ERI (Electronics Resurgence Initiative) guidata dalla DARPA. L’ERI cerca di costruire un ciclo di innovazione specializzato, sicuro e altamente automatizzato che consentirà alla comunità americana di passare da un’era di hardware generalizzato a sistemi specializzati.

Basandosi sull’eredità dell’invenzione elettronica della DARPA, l’ERI mira a promuovere collaborazioni lungimiranti e nuovi approcci per inaugurare questa nuova era della specializzazione dei circuiti. L’iniziativa su vasta scala applicherà il modello di ricerca aperta di DARPA al futuro della microelettronica e riunirà governo, mondo accademico, industria, la base industriale della difesa e il DOD per creare l’ambiente necessario per un progresso continuo e drammatico.

In ossequio alla guida fornita a pagina tre del documento di Moore del 1965, ERI cerca di creare un ecosistema in cui strumenti di automazione della progettazione più intelligenti saranno in grado di acquisire direttamente diagrammi logici e trasformarli in chip fisici senza richiedere alcun intervento di ingegneria speciale.

Ciò renderebbe economicamente fattibile produrre piccoli lotti di circuiti personalizzati – o nuclei di acceleratori – progettati per funzioni specifiche anziché produrre solo grandi volumi di circuiti generali. La capacità di costruire e interconnettere array di circuiti personalizzati per formare sistemi più grandi consentirebbe la creazione rapida ed estremamente efficiente di una considerevole varietà di prodotti elettronici unici.

L’ERI comprende diversi programmi DARPA – molti dei quali sono stati avviati dopo l’annuncio ufficiale dell’iniziativa nel giugno 2017 – incentrati su tre principali spinte di ricerca: architetture, materiali, integrazione e design. I team impegnati nel design cercano di sviluppare un framework aperto che consenta ai ricercatori e ai team di progettazione di applicare algoritmi di apprendimento in grado di tradurre rapidamente e automaticamente funzioni e requisiti di alto livello in layout fisici di circuiti personalizzati. Per garantire che una varietà di circuiti, materiali e tecnologie personalizzati possano essere usati insieme per costruire sistemi più grandi, i materiali e la spinta all’integrazione studieranno i nuovi standard di interconnessione e l’integrazione di nuovi circuiti logici e di memoria. Infine, la spinta delle architetture esplorerà il coordinamento a livello di circuito e le metodologie di co-progettazione hardware / software per aiutare a creare sistemi modulari e flessibili in grado di adattare e ottimizzare combinazioni di nuovi dispositivi e core di accelerazione in sistemi su misura per qualsiasi applicazione.




Design

“Forse le procedure di automazione del design di nuova concezione potrebbero tradurre dal diagramma logico alla realizzazione tecnologica senza alcuna ingegneria speciale.” – Gordon Moore, 1965 

Anche se Moore non avrebbe potuto prevedere fino a che punto le sue osservazioni sul ridimensionamento dei transistor si sarebbero allungate, capì come l’aumento del numero di transistor alla fine creerebbe circuiti troppo complessi per i progettisti da disporre a mano e che gli strumenti di automazione avrebbero bisogno di essere sviluppati. Nel momento in cui Moore pubblicò le sue osservazioni, i circuiti integrati avevano circa 50 transistor; oggi, quel numero è di circa 21 miliardi (9). La comunità dell’elettronica ha iniziato a sviluppare strumenti di automazione della progettazione elettronica (EDA) per aiutare ad automatizzare il processo man mano che il numero di transistor continuava ad aumentare. Per quanto potenti siano questi strumenti per aiutare i progettisti a gestire la complessità della posa di miliardi di transistor, non hanno tenuto il passo con le capacità di produzione fisica e l’aumento dei circuiti analogici, che sono ancora progettati manualmente. Di conseguenza, la dimensione dei team di progettazione è esplosa e la necessità di competenze tecniche specialistiche non è mai stata così grande.

“Inflessione di Moore” – un punto contrassegnato da frecce sul diagramma in cui le priorità impostate oggi determineranno se i progressi nell’elettronica inizieranno a rallentare e ristagnare o dove le nuove innovazioni catalizzeranno un altro lungo percorso di progresso tecnologico dinamico e flessibile.

Lo sviluppo di metodologie di progettazione modulare ha contribuito a mitigare alcuni dei limiti dell’EDA. Uno dei progettisti di tecniche impiegate è quello di acquisire funzioni di circuito utilizzate frequentemente in blocchi discreti e modulari, chiamati blocchi di proprietà intellettuale (IP), che possono essere utilizzati e riutilizzati per creare sistemi più grandi e complessi. Per fare un confronto, nel 2000, oltre il 90 percento di un chip doveva essere progettato in modo speciale. Oggi quel numero si è invertito con i progettisti che hanno riutilizzato blocchi IP già progettati per oltre il 90 percento di un chip (10).

Anche con l’uso crescente dei blocchi IP, tuttavia, il rapido aumento dei costi per progettare e verificare il nuovo hardware ha reso l’accesso a dispositivi elettronici all’avanguardia proibitivi per tutti, tranne le più grandi aziende. Il programma Circuit Realization at Faster Timescales (CRAFT) è stato concepito per esplorare le soluzioni a questo problema attraverso l’uso di generatori automatici per creare rapidamente nuovi circuiti e accelerare il ciclo di progettazione. Recentemente, i ricercatori del programma CRAFT hanno dimostrato un flusso di progettazione che ha sfruttato i generatori automatici per produrre circuiti digitali sette volte più velocemente di quelli ottenuti con i metodi tradizionali. In altre parole, questi strumenti hanno consentito ai piccoli team di progettazione di essere altrettanto produttivi quanto i team di dimensioni sette volte superiori.

Il mantenimento dello slancio continuo oltre l’imminente Inflessione di Moore richiederà di spingere i limiti dell’apprendimento automatico per estendere l’automazione in ogni aspetto della progettazione di circuiti. Due nuovi programmi nella spinta di ERI Design, ispirati alla preveggenza di Moore, mirano a esplorare flussi di progettazione hardware centrati sulla macchina che possano supportare la generazione fisica di layout di circuiti elettronici complessi con “no human in the loop” e in meno di 24 ore. Per facilitare il riutilizzo affidabile dei blocchi circuitali e per coinvolgere la potenza cerebrale collettiva della comunità di progettazione open-source, questi sforzi cercheranno di sfruttare le nuove tecnologie di simulazione e l’apprendimento macchina applicato per verificare ed emulare i blocchi circuitali. Con strumenti di automazione della progettazione avanzati come questi, la barriera all’ingresso per un numero crescente di innovatori si ridurrà e quindi scatenerà un’era di specializzazione e capacità senza precedenti nelle tecnologie elettroniche.



Materiali e integrazione

“… costruire grandi sistemi con funzioni più piccole, che sono confezionati separatamente e interconnessi.” – Gordon Moore, 1965

Una sfida centrale alla gestione della modularità è come interconnettere correttamente il crescente numero di blocchi funzionali senza influire sulle prestazioni. Dal 2000, non solo il numero di transistor per chip è cresciuto da 42 milioni a 21 miliardi11, ma anche il numero di blocchi IP su quello stesso chip è aumentato di oltre 10 volte12. Inoltre, questi blocchi funzionali stanno diventando sempre più una miscela di circuiti digitali e analogici e sono spesso realizzati con materiali molto diversi, complicando ulteriormente la sfida dell’integrazione.

Per realizzare la visione di Moore di costruire funzioni più grandi con blocchi funzionali più piccoli, abbiamo bisogno di trovare nuovi modi per collegare diversi blocchi dissimili e comunicare tra loro. 
Le previsioni di Moore relative ai materiali e all’integrazione sono già state realizzate nel programma CHIPS (Common Heterogeneous Integration and IP Reuse Strategies) di DARPA. Questo sforzo di ricerca mira a sviluppare progetti di chip modulari che possano essere rapidamente assemblati e riconfigurati attraverso l’integrazione di una varietà di blocchi IP sotto forma di chiplet prefabbricati. Questi chiplet si baseranno su layout e interfacce standard per collegarsi facilmente. Il programma ha recentemente annunciato che Intel® contribuirà con la sua interfaccia proprietaria e l’IP relativo ad esso associato al programma CHIPS da utilizzare come interfaccia standard del programma. La partecipazione diretta di Intel aiuterà a garantire che tutti i vari blocchi IP del programma possano essere collegati insieme. Questo è un enorme passo avanti verso la creazione di uno standard nazionale di interconnessione che consentirà il rapido assemblaggio di grandi sistemi modulari.

Ciò che viene spesso lasciato fuori dalla storia dietro il crescente numero di transistor è l’aumento parallelo del numero di interconnessioni necessarie per spostare i dati avanti e indietro attraverso il chip. L’esplosione di cavi non ha solo complicato il processo di progettazione, ma ha anche creato percorsi più lunghi e più contorti per il trasferimento dei dati. Per avere un senso di scala, se tutti i fili di un chip moderno fossero disposti in modo completo, si estendevano per più di 21 miglia. Per la maggior parte delle architetture di calcolo, che separano l’unità centrale di elaborazione (CPU) e la memoria, lo spostamento dei dati attraverso questo groviglio di fili in crescita limita fortemente le prestazioni computazionali.

L’enigma ha persino il suo nome, il “collo di bottiglia della memoria”. Ad esempio, per eseguire un algoritmo di apprendimento automatico su un chip all’avanguardia, oltre il 92% del tempo di esecuzione viene impiegato in attesa di accedere alla memoria.

Con il vasto numero di combinazioni di circuiti rese possibili dalle nuove interfacce standard e dai limiti prestazionali delle interconnessioni attuali, dobbiamo porre la domanda: quale ruolo possono avere nuovi materiali e architetture radicalmente nuove nell’affrontare queste sfide?

In risposta a questa domanda, uno dei nuovi programmi di ERI Materials and Integration prevede di esplorare l’uso dell’integrazione verticale, piuttosto che planare, dei componenti dei microsistemi. Sfruttando la terza dimensione, i progettisti possono ridurre drasticamente le lunghezze dei cavi tra componenti essenziali come la CPU e la memoria.

Le simulazioni mostrano che i chip 3-D fabbricati utilizzando vecchi nodi a 90 nm possono ottenere prestazioni 50 volte migliori rispetto ai circuiti fabbricati su nodi 7-nm mediante l’integrazione planare. Inoltre, un altro programma studierà nuovi materiali accoppiati con architetture che ripensano il flusso di dati tra processori e memoria per fornire nuove soluzioni per elaborare il crescente volume di dati scientifici, sensoriali, sociali, ambientali e molti altri tipi di dati.


Architettura

“La disponibilità di grandi funzioni, combinate con la progettazione funzionale e la costruzione, dovrebbe consentire al produttore di sistemi di grandi dimensioni di progettare e costruire una considerevole varietà di apparecchiature sia rapidamente che economicamente.” – Gordon Moore, 1965

Il ritmo incessante della Legge di Moore assicurava che il computer per scopi generici sarebbe stato l’architettura dominante negli ultimi 50 anni. Rispetto ai guadagni in termini di prestazioni ottenuti con la legge di Moore, esplorare nuove architetture informatiche e impegnarsi negli anni di sviluppo e centinaia di milioni di dollari necessari per farlo non ha senso dal punto di vista economico. Dal momento che questa tendenza inizia a rallentare, tuttavia, è sempre più difficile spremere le prestazioni dall’hardware generalizzato, preparando il terreno per una rinascita in architetture specializzate.
Immaginando come sarebbe il futuro, Moore ha suggerito un framework per la realizzazione di architetture specializzate puntando su “design funzionale e costruzione” che porterebbe a sistemi producibili che abbiano anche un significato economico. In altre parole, stava immaginando architetture flessibili in grado di sfruttare l’hardware specializzato per risolvere problemi di calcolo specifici in modo più rapido ed efficiente.

L’anno scorso, DARPA ha avviato il programma HIVEarchical Identify Verify Exploit (HIVE) per esplorare l’ottimizzazione di un circuito integrato specializzato in grado di analizzare le varie relazioni tra i punti dati in serie di dati su larga scala, come i social media, i feed dei sensori e gli studi scientifici. Lavorando con partner industriali come Qualcomm e Intel, il programma HIVE mira a sviluppare un circuito integrato specializzato in grado di elaborare un’analisi dei dati su larga scala 1.000 volte più veloce rispetto alla tecnologia di elaborazione corrente. Questo hardware avanzato potrebbe avere il potere di analizzare i dataset da miliardi e trilioni di bit che verranno generati dall’Internet of Things, reti sociali in continua espansione e sistemi di sensori futuri.

Mentre HIVE è un esempio di progresso attuale, ci vorrà molta più innovazione per portare a compimento la visione di hardware specializzato di Moore. Una delle sfide chiave per utilizzare una maggiore specializzazione è la tensione tra la flessibilità dei processori generici e l’efficienza dei processori specializzati. Se i progettisti ritengono che l’hardware specializzato sia troppo difficile da utilizzare o programmare, è probabile che perdano le efficienze che l’hardware potrebbe fornire.

I due nuovi programmi di ERI Architectures cercano di dimostrare che il trade-off tra flessibilità ed efficienza non deve essere binario. Questi programmi cercano di sviluppare metodi per determinare la giusta quantità e il tipo di specializzazione rendendo il sistema il più programmabile e flessibile possibile.
Uno dei programmi esaminerà architetture di calcolo riconfigurabili e ambienti software che insieme consentono prestazioni di applicazioni ad uso intensivo di dati vicino a quelle di applicazioni di elaborazione specializzate per applicazioni singole senza sacrificare versatilità o programmabilità. Le funzionalità risultanti consentiranno l’ottimizzazione in tempo reale delle risorse computazionali basate sull’introspezione in tempo reale dei dati in arrivo. Il programma realizzerà prestazioni di elaborazione 500-1000 volte migliori rispetto all’elaborazione avanzata e generica e fornirà prestazioni di elaborazione specializzate per l’applicazione mantenendo al contempo flessibilità e programmabilità.

Il secondo programma sotto il pilastro Architectures dell’ERI esplorerà i metodi per combinare un numero enorme di nuclei di acceleratori.

Sebbene i core di accelerazione possano eseguire funzioni specifiche in modo più rapido ed efficiente di quanto sia possibile nel software in esecuzione su un processore generico, la programmazione e il coordinamento di applicazioni su molti core eterogenei è stata una grande sfida. Una soluzione è quella di prendere una visione verticale dello stack di elaborazione, che taglia trasversalmente dal software applicativo al sistema operativo e fino all’hardware sottostante. Esplorando il concetto di un approccio basato sul dominio per identificare gli acceleratori appropriati; lavorare su linguaggi e compilatori migliori per ottimizzare il codice per questi acceleratori; e implementando una pianificazione intelligente per le applicazioni in esecuzione su un processore così complesso, questo programma sta esaminando un nuovo concetto di chip personalizzati che possono utilizzare rapidamente una miriade di acceleratori per affrontare più applicazioni.

Il programma CHIPS sta spingendo per una nuova architettura di microsistema basata sulla miscelazione e l’abbinamento di piccoli chiplets a singola funzione in sistemi di dimensioni chip come capaci di chip e componenti dell’intero circuito stampato.

Verso un futuro più innovativo

I guadagni che provenivano dalla Legge di Moore non erano garantiti, ma realizzati attraverso l’ingegno e la stretta collaborazione tra industria commerciale, mondo accademico e governo. Oggi, l’aumento dei costi per la progettazione di circuiti integrati, l’aumento degli investimenti esteri e la mercificazione dell’hardware minacciano la salute futura di una comunità di microelettronica domestica innovativa e dinamica. Di fronte a queste sfide, l’Electronics Resurgence Initiative si baserà sulla lunga tradizione di partnership di successo tra governo e industria per promuovere l’ambiente necessario per la prossima ondata di innovazione dei semiconduttori negli Stati Uniti.


___________________________________
1. Consiglio nazionale delle ricerche. 1999. Finanziamento di una rivoluzione: supporto governativo per la ricerca informatica. Washington, DC: The National Academies Press. https://doi.org/10.17226/6323.
2. Consiglio nazionale delle ricerche. 1999. Finanziamento di una rivoluzione: supporto governativo per l’informatica Ricerca. Washington, DC: The National Academies Press. https://doi.org/10.17226/6323.
3. IBM. Architettura RISC. http://www-03.ibm.com/ibm/history/ibm100/us/en/icons/risc/
4. Consiglio nazionale delle ricerche. 1999. Finanziamento di una rivoluzione: supporto governativo per l’informatica Ricerca. Washington, DC: The National Academies Press. https://doi.org/10.17226/6323.
5. SIA, “L’industria statunitense dei semiconduttori: un collaboratore chiave per la crescita economica degli Stati Uniti”, 2014.
6. Analisi del settore McKinsey
7. EE Times, “China Fab Boom alimenta il revival della spesa di attrezzature”, marzo 2017. https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1331492
8. EE Times, “Molto rumore per il Big IC Surge della Cina”, giugno 2017. https://www.eetimes.com/document.asp? doc_id=1331928
9. PC World, “appare la mostruosa GPU Volta di Nvidia, piena di 21 miliardi di transistor e 5.120 core, “Maggio 2017, https://www.pcworld.com/article/3196026/components-graphics/ di https://www.nvidia.com/it-it/titan/titan-v/
10. SEMICO Research Corporation, 2014
11. The Economist, “Tecnologia trimestrale: dopo la legge di Moore”, https://www.economist.com/technology-quarterly/2016-03-12/after-moores-law
La tecnologia-trimestrale / 2016/03/12 /  12. SEMICO Research Corporation, 2014

Articolo tratto dalla brochure della DARPA del 2018 per il sessantennale dalla sua fondazione; documento in PDF che puoi scaricare qui sotto.

Defense advanced research projects agency 1958-2018

Megachirottera

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